CN114133866A - 一种太阳吸收比随入射角变化的低吸收低发射热控涂层及其制备方法 - Google Patents

一种太阳吸收比随入射角变化的低吸收低发射热控涂层及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种太阳吸收比随入射角变化的低吸收低发射热控涂层及其制备方法，包括如下质量配比的组分：粘结剂100份；填料120～160份；催化剂2～3份；固化剂5～7份；有机溶剂400～500份；表面改性剂0.51～5.5份；其中，所述粘结剂为羟甲基有机硅树脂，分子量为2000～10000；所述表面改性剂为硼酸和KH550硅烷偶联剂；涂层采用空气喷涂的方法实施，厚度不低于25μm。涂层在不同的太阳入射角条件下具有不同的太阳吸收比，尤其是在大入射角条件下的吸收率显著增大，解决了常规涂层在太阳斜入射角较大时热流输入急剧减小，造成温度降低或是与高温部位形成较大的温度梯度，进而影响航天器表面高精度热控性能和结构精度的问题。

Description

一种太阳吸收比随入射角变化的低吸收低发射热控涂层及其 制备方法
技术领域
本发明属于航天器热控涂层技术领域，特别涉及一种太阳吸收比随入射角变化的低吸收低发射热控涂层及其制备方法，制备的涂层在不同的太阳入射角条件下具有不同的太阳吸收比。
背景技术
在空间环境条件下，航天器表面的热控涂层起到控制进出航天器的热流，维持航天器表面及内部温度的作用。太阳吸收比是涂层对太阳热辐射的吸收能力，半球发射率体现的是涂层向深冷空间的辐射散热能力。受高真空环境影响，航天器在轨工作中，涂层吸收太阳辐射将导致航天器温度升高，涂层向空间环境的辐射漏热将导致航天器的温度降低。因此，航天器表面热控涂层的太阳吸收比以及半球发射率是控制航天器温度的关键参数。
受空间轨道、倾角、姿态等因素的影响，航天器表面不同部位与太阳辐照光线之间具有较大的角度差异。在太阳辐射直射部位，太阳辐照强度高(约1353W/m2)；太阳辐射斜入射部位，太阳辐照强度低(1353W/m2×cosθ，θ为入射角，如图1所示)。受轨道姿态、倾角等因素的影响，常规涂层在太阳斜入射角较大时，将会导致其热流输入急剧减小，造成温度降低，或是与高温部位形成较大的温度梯度，影响航天器表面高精度热控性能和结构精度。
发明内容
为了克服现有技术中的不足，本发明人进行了锐意研究，提供了一种太阳吸收比随入射角变化的低吸收低发射热控涂层及其制备方法，涂层在不同的太阳入射角条件下具有不同的太阳吸收比，尤其是在大入射角条件下的吸收率显著增大，解决了常规涂层在太阳斜入射角较大时热流输入急剧减小，造成温度降低或是与高温部位形成较大的温度梯度，进而影响航天器表面高精度热控性能和结构精度的问题。根据本发明的研究成果，通过调控姿态角度可以控制进入航天器的热流，同时对调控不同部位的温度均匀性具有重要作用，从而完成本发明。
本发明提供的技术方案如下：
第一方面，一种太阳吸收比随入射角变化的低吸收低发射热控涂层，包括如下质量配比的组分：
Figure BDA0003367595990000021
其中，所述粘结剂为羟甲基有机硅树脂，分子量为2000～10000；
所述表面改性剂为硼酸和硅烷偶联剂KH550；
涂层厚度不低于25μm。
第二方面，一种太阳吸收比随入射角变化的低吸收低发射热控涂层的制备方法，包括如下步骤：
按比例称取填料、有机溶剂、表面活性剂并混合，然后在60～100℃条件下，搅拌2～3小时；
在上述混合体系中按比例加入粘结剂，然后在常温条件下，搅拌均匀；
在上述体系中按比例加入固化剂和催化剂，搅拌均匀形成可用于喷涂的涂层漆料；
采用空气喷涂的方法直接将漆料涂覆在需喷涂的产品或零件表面，涂层厚度不低于25μm。
根据本发明提供的一种太阳吸收比随入射角变化的低吸收低发射热控涂层及其制备方法，具有以下有益效果：
(1)本发明提供的一种太阳吸收比随入射角变化的低吸收低发射热控涂层及其制备方法，通过特定物料选择和配比，涂层具有较低的半球发射率，发射率≤0.16，对于减少航天器向空间环境的辐射漏热具有重要意义；
(2)本发明提供的一种太阳吸收比随入射角变化的低吸收低发射热控涂层及其制备方法，在小入射角条件下，涂层具有较低的太阳吸收比(≤0.16)，对减少航天器在强辐照条件下对辐射热流的吸收具有重要作用；在太阳入射角较大时(≥60°)，涂层相对小角度入射情况下的太阳吸收比将大幅增大，增加值不小于100％。
该涂层在不同入射角条件下具有较大的吸收比变化的效应，对调节航天器表面不同部位在不同入射角条件下的温度均匀性具有重要作用。同时，航天器可根据自身的温度特性，通过姿态控制调节航天器表面与太阳辐射间的入射角度，达到控制进入航天器热流、维持舱内适宜温度的作用。
附图说明
图1为太阳辐射方向及入射角；
图2为实施例1中航天器表面太阳辐照强度与入射角的关系。
具体实施方式
下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
根据本发明的第一方面，提供了一种太阳吸收比随入射角变化的低吸收低发射热控涂层，包括如下质量配比的组分：
Figure BDA0003367595990000041
其中，所述粘结剂为羟甲基有机硅树脂，分子量为2000～10000；
所述表面改性剂为硼酸和硅烷偶联剂KH550；
涂层采用空气喷涂的方法实施，厚度不低于25μm。
本发明人经过大量研究发现，有机硅树脂的分子量对涂层的光学反射性能具有重要的影响，分子量超过10000不利于金属填料的界面定向排列，影响涂层的低吸收及低发射性能。
在一种优选的实施方式中，所述粘结剂羟甲基有机硅树脂的分子量为2000～5000或8000～10000。
在一种优选的实施方式中，基于100质量份的粘结剂，所述硼酸为0.01～0.5质量份，优选为0.02～0.1质量份；所述硅烷偶联剂KH550为0.5～5质量份，优选为2～4质量份。
本发明人经过大量研究发现，在硼酸作用下可以提高硅烷偶联剂对金属填料的表面改性作用，对防止金属填料沉降，提高金属填料与有机树脂的相容性具有重要作用。
在一种优选的实施方式中，所述填料为片状金属铝粉，粒径尺寸为30～50μm，厚度不大于2μm。大尺度的金属铝粉具有更高的光学反射能力，但超过50微米的填料对涂层的大面积喷涂施工性能构成不利的影响。
在一种优选的实施方式中，所述催化剂为二月桂酸二丁基锡；
在一种优选的实施方式中，所述固化剂为正硅酸乙酯。
在一种优选的实施方式中，所述有机溶剂为二甲苯、乙酸丁酯、硝基甲烷或其组合。
在一种优选的实施方式中，涂层在小入射角条件下(θ≤30°)具有较低的太阳吸收比，吸收比≤0.16；涂层在较大角度入射时(θ≥60°)，其太阳吸收比将显著增大，增幅≥100％。
根据本发明的第二方面，提供了一种太阳吸收比随入射角变化的低吸收低发射热控涂层的制备方法，包括如下步骤：
按比例称取填料、有机溶剂、表面活性剂并混合，然后在60～100℃条件下，搅拌2～3小时；
在上述混合体系中按比例加入粘结剂，然后在常温条件下，搅拌均匀；
在上述体系中按比例加入固化剂和催化剂，搅拌均匀即形成可用于喷涂的涂层漆料；
采用空气喷涂的方法直接将漆料涂覆在需喷涂的产品或零件表面，涂层厚度不低于25μm。
实施例
实施例1
(1)称取片状金属铝粉130g加入三口烧瓶中(粒径约35μm，厚度不大于2μm)，然后加入二甲苯和乙酸丁酯的混合溶剂250g(质量比为1：1)，再加入硅烷偶联剂KH550 2g、硼酸0.02g；在80℃条件下，搅拌3小时；
(2)在上述体系中加入羟甲基有机硅树脂(分子量为8000～10000)100g，在常温条件下搅拌2小时；
(3)在上述体系中加入5g正硅酸乙酯和2g二月桂酸二丁基锡，得到漆料；
(4)采用空气喷涂的方法，喷涂在零件表面，干燥后涂层厚度为45～55μm。
经测试，涂层的半球发射率为0.16，在不同入射角条件下的太阳吸收比、太阳辐射常数以及单位面积的热辐射吸收能力如下图2和表1所示：
表1
入射角度 15° 30° 60° 75°
太阳辐照强度1353W/m<sup>2</sup>×COSθ 1306 1172 677 350
太阳吸收比 0.15 0.13 0.29 0.36
单位面积热吸收(W/m<sup>2</sup>) 196 152 196 126
当太阳辐射以不同入射角入射时，随着入射角的增大，空间单位面积的辐照强度将减小，但涂层的太阳吸收比增大。比如：在15°和60°入射角条件下，太阳辐照强度分别为1306W/m2和677W/m2；但涂层在60°条件下具有更高的太阳吸收比(相比于30°增加幅度为123％)，使得在空间条件下的热辐射吸收性能相同。因此，该涂层可以抑制航天器表面在空间条件下受太阳辐射入射角变化导致的温度差异；同时，通过空间姿态调控，可以控制进入航天器表面的辐射热流(15°条件下为196W/m2；30°条件下为152W/m2)，可根据航天器温度特性控制进入航天器内部的热流，以维持适宜的温度和温度梯度。
实施例2
(1)称取片状金属铝粉160g加入三口烧瓶中(粒径约45μm，厚度不大于2μm)，然后加入二甲苯和乙酸丁酯的混合溶剂500g(质量比为2：1)，再加入KH550硅烷偶联剂3g、硼酸0.1g；在100℃条件下，搅拌2小时；
(2)在上述体系中加入羟甲基有机硅树脂(分子量为2000～5000)100g，在常温条件下搅拌3小时；
(3)在上述体系中加入4g正硅酸乙酯和3g二月桂酸二丁基锡，得到漆料；
(4)采用空气喷涂的方法，喷涂在零件表面，干燥后涂层厚度为35～47μm。
经测试，涂层的半球发射率为0.15，在不同入射角条件下的太阳吸收比、太阳辐射常数以及单位面积的热辐射吸收能力如下表2所示：
表2
Figure BDA0003367595990000061
Figure BDA0003367595990000071
当太阳辐射以不同入射角入射时，随着入射角的增大，空间单位面积的辐照强度将减小，但涂层的太阳吸收比增大。比如：在15°和60°入射角条件下，太阳辐照强度分别为1306W/m2和677W/m2；但涂层在60°条件下具有更高的太阳吸收比(相比于30°增加幅度为136％)，使得在空间条件下的热辐射吸收性能基本相同。因此，该涂层可以抑制航天器表面在空间条件下受太阳辐射入射角变化导致的温度差异；同时，通过空间姿态调控，可以控制进入航天器表面的辐射热流(15°条件下为170W/m2；30°条件下为129W/m2)。可根据航天器温度特性控制进入航天器内部的热流，以维持适宜的温度和温度梯度。
对比例
对比例1
(1)称取片状金属铝粉130g加入三口烧瓶中(粒径约35μm，厚度不大于2μm)，然后加入二甲苯和乙酸丁酯的混合溶剂250g(质量比为1：1)，再加入硅烷偶联剂KH550 2g、硼酸0.02g；在80℃条件下，搅拌3小时；
(2)在上述体系中加入羟甲基有机硅树脂(分子量为15000～20000)100g，在常温条件下搅拌2小时；
(3)在上述体系中加入5g正硅酸乙酯和2g二月桂酸二丁基锡，得到漆料；
(4)采用空气喷涂的方法，喷涂在零件表面，干燥后涂层厚度为45～55μm。
经测试，涂层的半球发射率为0.33；在15°入射角条件下，太阳吸收比为0.31，树脂分子量影响涂层的低吸收及低发射性能。
对比例2
(1)称取片状金属铝粉130g加入三口烧瓶中(粒径约5μm，厚度不大于2μm)，然后加入二甲苯和乙酸丁酯的混合溶剂250g(质量比为1：1)，再加入硅烷偶联剂KH550 2g、硼酸0.02g；在80℃条件下，搅拌3小时；
(2)在上述体系中加入羟甲基有机硅树脂(分子量为8000～10000)100g，在常温条件下搅拌2小时；
(3)在上述体系中加入5g正硅酸乙酯和2g二月桂酸二丁基锡，得到漆料；
(4)采用空气喷涂的方法，喷涂在零件表面，干燥后涂层厚度为45～55μm。
经测试，涂层的半球发射率为0.25；在15°入射角条件下，太阳吸收比约0.27，金属填料粒径较小，影响涂层的光学反射性能，导致涂层吸收率及发射率增大。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种太阳吸收比随入射角变化的低吸收低发射热控涂层，其特征在于，包括如下质量配比的组分：
Figure FDA0003367595980000011
其中，所述粘结剂为羟甲基有机硅树脂，分子量为2000～10000；
所述表面改性剂为硼酸和硅烷偶联剂KH550；
涂层厚度不低于25μm。
2.根据权利要求1所述的太阳吸收比随入射角变化的低吸收低发射热控涂层，其特征在于，基于100质量份的粘结剂，硼酸为0.01～0.5质量份，硅烷偶联剂KH550为0.5～5质量份。
3.根据权利要求2所述的太阳吸收比随入射角变化的低吸收低发射热控涂层，其特征在于，基于100质量份的粘结剂，硼酸为0.02～0.1质量份，硅烷偶联剂KH550为2～4质量份。
4.根据权利要求1所述的太阳吸收比随入射角变化的低吸收低发射热控涂层，其特征在于，所述填料为片状金属铝粉，粒径尺寸为30～50μm，厚度不大于2μm。
5.根据权利要求1所述的太阳吸收比随入射角变化的低吸收低发射热控涂层，其特征在于，所述催化剂为二月桂酸二丁基锡。
6.根据权利要求1所述的太阳吸收比随入射角变化的低吸收低发射热控涂层，其特征在于，所述固化剂为正硅酸乙酯。
7.根据权利要求1所述的太阳吸收比随入射角变化的低吸收低发射热控涂层，其特征在于，所述有机溶剂为二甲苯、乙酸丁酯、硝基甲烷或其组合。
8.根据权利要求1所述的太阳吸收比随入射角变化的低吸收低发射热控涂层，其特征在于，所述涂层具有较低的半球发射率，发射率不大于0.16；涂层在入射角θ≤30°时，太阳吸收比≤0.16；涂层在入射角θ≥60°时，太阳吸收比较入射角θ≤30°时增幅≥100％。
9.一种太阳吸收比随入射角变化的低吸收低发射热控涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
按比例称取填料、有机溶剂、表面活性剂并混合，然后在60～100℃条件下，搅拌2～3小时；
在上述混合体系中按比例加入粘结剂，然后在常温条件下，搅拌均匀；
在上述体系中按比例加入固化剂和催化剂，搅拌均匀形成可用于喷涂的涂层漆料；
采用空气喷涂的方法直接将漆料涂覆在需喷涂的产品或零件表面，涂层厚度不低于25μm。
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